Luận án tập trung giải quyết vấn đề nâng cao hiệu năng cho mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA, ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM và các bộ khuếch đại quang EDFA, khuếch đại quang Raman phân bố được bơm bằng công suất thấp (
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Trung Ninh NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT MẠNG QUANG DWDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG HỖN HỢP DRFA/EDFA Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2015 CHƢƠNG TỔNG QUANG VỀ MẠNG TRUY NHẬP LRPON 1.1 Tổng quan mạng truy nhập Những tiến mặt công nghệ mạng đường trục, mạng doanh nghiệp mạng gia đình với bùng nổ lưu lượng truy cập Internet làm chậm đáng kể dung lượng mạng truy nhập Tại phần cuối mạng viễn thơng cịn tồn “điểm tắc nghẽn” mạng LAN dung lượng cao mạng đường trục Để giảm bớt “tắc nghẽn” băng thông này, sợi quang nút quang đưa tới gần phía người dùng cơng nghệ mạng quang thụ động PON ngày ý ngành công nghiệp viễn thông xem giải pháp hữu ích cho mạng truy nhập 1.2 Các cơng nghệ hỗ trợ PON Các công nghệ hỗ trợ PON bao gồm TDM, WDM OCDM 1.3 Mạng quang thụ động khoảng cách dài LR-PON Mạng LR-PON kiến trúc đề xuất cho phép kết hợp mạng metro mạng truy nhập lại với nhau, mở rộng khoảng cách mạng truy nhập từ 20 km chuẩn tới 100 km Các kỹ thuật kéo dài khoảng cách hoàn toàn thụ động thu hút nhà mạng Các nghiên cứu gần cho thấy, việc sử dụng khuếch đại quang tổng đài trung tâm (CO) và/hoặc tổng đài nội hạt cần thiết để quỹ công suất mạng PON khoảng cách dài (LR-PON) đảm bảo 1.4 Một số kiến trúc LR-PON đƣợc triển khai Một số kiến trúc LR-PON triển khai LR-PON dựa TDM, GPON, WDM, TDM CWDM, TDM DWDM, CDM DWDM 1.5 Các tham số đánh giá hiệu hệ thống mạng LR-PON Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR): Được định nghĩa tỉ số công suất tín hiệu cơng suất nhiễu Tỉ lệ lỗi bít BER: Là tỉ số số bit thu bị lỗi tổng số bit phát đơn vị thời gian 1.6 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu mạng LR-PON Đối với mạng LR-PON đa bước sóng sử dụng cơng nghệ OCDMA DWDM giới hạn hiệu chủ yếu yếu tố sau: suy hao, tán sắc, nhiễu khuếch đại, nhiễu đa truy nhập MAI, hiệu ứng tự điều pha, hiệu ứng điều chế xuyên pha, hiệu ứng trộn bốn bước sóng, tán sắc mốt phân cực… 1.7 Các nghiên cứu liên quan đến luận án Các hướng nghiên cứu hệ thống LR-PON bao gồm: tăng khoảng cách truyền dẫn, tăng tỉ lệ chia, giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu khuếch đại quang gây ra, sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman kích thích để mở rộng khoảng cách băng tần khuếch đại 1.8 Vấn đề nghiên cứu luận án Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, vấn đề nghiên cứu đề xuất luận án là: đề xuất thiết kế chế tạo khuếch đại quang Raman bơm công suất thấp ( 1200 mW < 1000 mW 10 ÷ 18 dB 11 ÷ 16 dB < 3.7 dB 3.68 dB 1.5 A 1.1 A -5 ÷ 55 oC ÷ 70 oC -36 dBm - 35 dBm Từ bảng so sánh thấy khuếch đại quang Raman chúng tơi chế tạo có hệ số khuếch đại tương đương với khuếch đại quang thương mại sử dụng tuyến 11 công suất bơm yêu cầu thấp dòng cung cấp cho nguồn bơm thấp 3.6 Thử nghiệm khuếch đại quang Raman chế tạo tuyến thực Chúng tiến hành thử nghiệm khuếch đại quang Raman tuyến WDM thực tế nhằm đánh giá thông số thiết bị hoạt động tuyến so sánh với kết khảo sát tĩnh phịng thí nghiệm kết mơ 3.7 Kết luận đề xuất phƣơng án chế tạo khuếch đại quang Raman phục vụ tuyến thông tin quang WDM băng rộng Các kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo khảo sát khuếch đại quang Raman tuyến thơng tin WDM cho phép đưa đề xuất phương án chế tạo loạt nhỏ thiết bị khuếch đại quang Raman dựa tiêu chí: cần khuếch đại bước sóng giám sát quang, bước sóng định dạng chuẩn định dạng lưới bước sóng, sử dụng nhiều nguồn bơm để mở rộng băng tần khuếch đại… CHƢƠNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OCDMA VÀ EDFA 4.1 Xây dựng mơ hình mạng LR-PON sử dụng OCDMA EDFA 12 Trong chương đề xuất kiến trúc mạng truy nhập quang thụ động đa bước sóng khoảng cách dài (LR-PON) sử dụng kỹ thuật mã hóa biên độ phổ kết hợp với đa truy nhập phân chia theo mã quang (SAC/OCDMA) 4.1.1 Nhiễu gây khuếch đại EDFA Nhiễu chủ yếu khuếch đại quang nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) Nhiễu ASE tạo phổ rộng xung quanh tín hiệu khuếch đại, thân chúng khuếch đại qua khuếch đại Vì ASE tạo trước photodiode, làm tăng ba thành phần nhiễu khác thu quang 4.1.2 Phân tích lý thuyết Kiến trúc mạng LR-PON dựa kỹ thuật SAC/OCDMA minh họa hình 4.1 Kết cuối đường truyền quang OLT Ngƣời dùng C1 Mã hóa phổ Ptx Ngƣời dùng K C2 C1 Sợi quang L1 EDFA Mã hóa phổ Sợi quang L2 Chia công suất 1:K Ptx Ngƣời dùng Cộng công suất K:1 Ptx Giải mã + - I+(t) Ngƣỡng I-(t) Ngƣời dùng Giải mã C1 Thiết bị mạng quang ONU Mã hóa phổ K CK Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống mạng LR-PON dựa SAC/OCDM 4.2 Mô hệ thống phần mềm Optisystem 13 Trong phần sử dụng phần mềm OptiSystem để mô hệ thống mạng LR-PON đề cập 4.3 Phân tích kết mơ so sánh kết với lý thuyết Các thí nghiệm mô thực để nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu ASE vị trí khuếch đại EDFA đến hiệu mạng truy nhập quang đa bước sóng LR-PON dựa cơng nghệ SAC/OCDM Các kết khảo sát BER theo công suất phát, BER theo vị trí khuếch đại, BER theo số lượng người dùng đồng thời hệ số khuếch đại theo khoảng cách truyền dẫn cho thấy kết mơ hồn tồn phù hợp với tính tốn lý thuyết 4.4 Đánh giá hiệu hệ thống mạng sử dụng thu APD Thay thu PIN thu photodiode thác lũ (APD) khảo sát ảnh hưởng nhiễu ASE đến hiệu hệ thống trên, đánh giá tầm quan trọng thu APD tìm hệ số khuếch đại dòng APD phù hợp cho hệ thống Các kết tính tốn lý thuyết mơ cho thấy BER số lượng người dùng cải thiện đáng kể sử dụng thu APD (với hệ số khuếch đại dịng thích hợp M=3) 4.5 Kết luận chƣơng Trong phạm vi chương này, đề xuất kiến trúc mạng truy nhập quang thụ động khoảng cách dài (LR-PONs) sử 14 dụng kỹ thuật mã hóa biên độ phổ/đa truy nhập phân chia theo mã quang (SAC/OCDMA) Dựa mơ hình mạng đề xuất, khảo sát ảnh hưởng nhiễu ASE loại nhiễu khác Theo kết tính tốn mơ phỏng, để đạt tỉ lệ lỗi bít thấp khuếch đại EDFA nên đặt gần phía phát (tức OLT) cụ thể khoảng từ 10 đến 20 km từ OLT với tổng khoảng cách tuyến truyền dẫn 90km Chúng khảo sát hệ thống trường hợp sử dụng thu PIN APD thấy sử dụng thu APD có hệ số khuếch đại dịng thích hợp (M=3) cho phép cải thiện hiệu hệ thống Ngoài kỹ thuật OCDMA khuếch đại quang EDFA triển khai hiệu mạng truy nhập quang đa bước sóng bên cạnh cịn cơng nghệ khác DWDM khuếch đại Raman giúp nâng cao hiệu năng, tăng số lượng người truy nhập băng thông khoảng cách mạng truy nhập, nội dung chúng tơi trình bày Chương luận án CHƢƠNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DWDM VÀ KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM BẰNG CÔNG SUẤT THẤP 5.1 Xây dựng mơ hình mạng LR-PON sử dụng DWDM khuếch đại Raman 15 Để khắc phục nhược điểm hệ thống LR-PON triển khai trình bày phần đầu Chương 4, đồng thời mở rộng băng tần khuếch đại cho hệ thống mạng Chúng đề xuất kiến trúc mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật DWDM (khoảng cách bước sóng 0.4 nm) khuếch đại Raman phân bố DRA bơm cơng suất thấp 5.1.1 Mơ hình khuếch đại quang sử dụng tán xạ Raman kích thích Mơ hình lý thuyết để giải thích hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng sử dụng khuếch đại quang dựa hệ thống cặp phương trình vi phân mơ tả thay đổi công suất nguồn bơm, công suất phát xạ ngẫu nhiên cơng suất tín hiệu khuếch đại dọc theo trục sợi quang (trục z) Các hệ phương trình áp dụng cho kiểu bơm bơm nhiều bước sóng cho khuếch đại Raman, đồng thời ảnh hưởng chiều bơm, chiều tín hiệu ảnh hưởng nhiệt độ tới xạ Raman tự phát khuếch đại (ASE) 5.1.2 Phân tích lý thuyết mơ hình mạng đề xuất Trong phần chúng tơi phân tích khuếch đại Raman phân bố hệ thống truyền dẫn DWDM sử dụng hai cấu hình bơm thuận bơm ngược Tính tốn loại nhiễu gây thu, từ suy tỉ lệ lỗi bit tỉ số SNR hệ thống 5.2 Mô hệ thống phần mềm Optisystem 5.2.1 Cặt đặt mô 16 Trong phần thiết lập mô hình mạng DWDM LR-PON việc sử dụng phần mềm Optisystem để so sánh công suất nhiễu ASE với kết thực nghiệm chương Trong mô hình chúng tơi sử dụng khuếch đại Raman phân bố với hai chế bơm khác bơm thuận bơm ngược Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM sử dụng khuếch đại Raman phân bố 5.2.2 Các kết mô Mô thực để đánh giá ảnh hưởng nhiễu ASE, NF, tán sắc màu đến hiệu mạng cấu hình bơm khác Chúng ta thấy trường hợp bơm thuận công suất nhiễu DRA thuận ngược nhỏ công suất nhiễu trường hợp bơm ngược Như bơm thuận có nhiều ưu điểm bơm ngược đứng quan điểm tối ưu nhiễu Ngoài ra, so sánh với phổ ASE khuếch đại chế tạo chương thấy chúng tương đồng (khoảng -35dBm), điều chứng tỏ kết 17 khảo sát mô đáng tin cậy phù hợp với thực nghiệm Các kết khảo sát hệ số tạp âm NF theo chiều dài khuếch đại, BER theo công suất phát cho hai trường hợp có khơng có nhiễu ASE cấu hình bơm thuận bơm ngược cho thấy ảnh hưởng nhiễu ASE tăng trường hợp bơm ngược, ảnh hưởng tán sắc màu tăng trường hợp bơm ngược có nhiễu ASE 5.3 Kết luận Trong chương này, đề xuất mơ hình mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật DWDM khuếch đại quang Raman phân bố để tăng khoảng cách truyền dẫn làm phẳng băng thông độ lợi Thơng qua mơ hình khảo sát, so sánh ảnh hưởng nhiễu ASE, hệ số tạp âm NF tán sắc màu cấu hình bơm khác Các kết mơ cho thấy cấu hình bơm thuận có nhiều ưu điểm cấu hình bơm ngược đứng quan điểm tối ưu nhiễu Hệ số tạp âm NF cho kết tốt công suất bơm tăng cao cấu hình bơm thuận, điều bị ảnh hưởng tán xạ Rayleigh kép, nhân tố định việc lựa chọn khuếch đại Raman bơm công suất thấp (